历经艰辛,终完成齿轮倾转式共轴机设计

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楼主 2020-08-30 13:10:52
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以前在常规共轴直升机上下了不少功夫琢磨,尽管结构都差不多了解了,甚至也画很多构思图,但是最后觉得难度太大,最终还是放弃了朝哪个方向的发展,因为仅仅倾斜盘几十个大大小小的部件,都需要调试后很精密地配合安装在一起,加工精度要求高,就算加工出来了,光是校正调试这些零部件就不是普通人的条件可以玩的,况且过多的部件潜在的故障率也会越高,倾转式的共轴机,由于倾转整个旋翼轴,对整机重心影响较大,不如常规共轴机的控制精度高,但是作为个人玩意儿还是有点意思的,所以后来开始打算想办法简化它来实施,我认为越简练的东西,部件出故障的概率越低,安全性相对越高些,这个就是我的第一个设计。

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齿轮倾转式的共轴机,利用齿轮和一个球形面实现旋翼头前后左右倾转飞行,有些太简陋,但是结构上是可行的,我把所有部件集中设计在一条重心线上,这样可以突出共轴机的稳定性,并且便于重心的回调,旋翼采用轴内变距可以在发动机故障时,变距自旋,因为是主要是油门控制转速,提供升降的控制,而且大部分时间旋翼不需要想常规直升机那样频繁的周期变距来改变迎角,旋翼的变距只是为了启动和自旋迫降时使用,无需频繁地调整,所以设计了一套弹性回位系统,使用小把和拉线控制旋翼桨距,利用弹簧张力来完成旋翼迎角的复位,和朋友交流的时候指出了我的设计里有些不完善的地方,比如我的原地转向机构是想通过驾驶者上方的那个前置式V型方向舵,原想是可以在下雨那样的恶劣天气也能玩,并且还能做转向舵,一物二用,因为旋翼桨盘越靠近中心,效率就越低,所以转向未必有我想得那么理想,不过我这个设计的转速较高,也许实际运用时,那个转向舵可以起到些许作用的,真正的要达到效果,估计还得实际制作时,将它在放大些,并且适度前伸效果会更好,因为只能纸上谈兵。


至于变距机构,参考了以前这里发布的一个国外的倾转式共轴机的变距,不过我做了改进,不要小看人手掌握力,一般的普通人平均在30~50kg,而变距用的小把实际上就是个小型杠杆,动力臂和阻力臂之比差不多是7:1,也就是说握紧小把可以至少产生200kg以上的拉力,而且实际变距距离很短,只有8mm,我打算做个1:8以上的小把来使用,那样拉力会更大,用在改变旋翼桨距够了吧,毕竟我没有实际接触过直升机,另外我设计的变距机构实际上个减小桨距的机构,在握紧小把时候,旋翼迎角是在由大变小,旋翼本身的旋转阻力其实在这种情况下是起到助力效果的,但有人对此非常质疑,觉得旋翼受到非常大的离心力和迎角阻力,我个人认为这个直升机最大起飞重量不过270kg左右,旋翼受到的主要是轴向力,变距所用的力量使用在径向转动,所以我认为是有可能实现变距的。


另外关于换向反转机构和倾转机构饱受争议,其中争议最大的是换向反转箱体的内部结构,我利用了差速器其中一端的半轴转动时可以经过中间行星齿轮驱动另一端的半轴反向转动的原理呀,我的机构说白了就好比一根半轴在通过差速器中间的一字轴上的两个行星齿轮驱动另一根半轴道理一样,找来个差速器总成照片,就会发现我的反转机构其实和差速器总成几乎是一模一样,只是差速器里的齿轮是油浸式润滑,我的改成轴承,只是汽车上的两个半轴在这里是上下两个旋翼轴,汽车差速器里的一字轴我也是几乎是照样搬过来的,只是中间多了个孔用来插入旋翼变距轴,我认为只要在两端轴承润滑良好的情况下,轴与轴承以及箱体之间径向的摩擦力很小,下旋翼轴转动会驱使中间的换向伞齿轮旋转,并带动上旋翼轴反向旋转,只是驱动初期,在转速低的情况下,反正箱体会给下旋翼轴造成一定阻力,使得箱体出现随动,但是一旦上旋翼轴转速以及旋转惯性起来后,是可以同步反转的,不过目前几个朋友对此都是质疑。

而实际运用时候有轴承里的滚珠滚动摩擦,这个力会非常小,主要承受的里来自于轴向的拉力,箱体在这里只是相当于一个相对自由的联轴器外壳,而轴承与箱体的径向的力之间的滚动摩擦,或者说箱体与齿轮之间的摩擦力,我觉得这个力很小,几乎是可以忽略的,但是径向的最大阻力来自于齿轮之间驱动,毕竟是要推动上旋翼反转,是不是能够达到理想那样目前我也只是想想。


几个朋友大致都是对同步反转机构和齿轮倾转机构提出了质疑,因为毕竟没有实施,所以很多构思可能想象的成分大些。

自行车前轮驱动兼转向机构


那个齿轮倾转机构对置的两个齿轮是通过轴承与二者之间的轴连接的,再将横轴动力传递到竖轴上时,采用双齿轮啮合,使得横轴传递的力不会产生反向扭力,横向采用单齿轮在收到横轴输入的扭矩时,产生的反向扭力会使的倾转箱体发生侧向扭转,双齿轮传递保障与竖轴更好的啮合,另外这套机构是在我设计的一个前轮驱动兼转向的躺车的齿轮传动基础上变通过来的,并非凭空想象而来,只是把那套结构中的双面伞齿轮改成了两个对置的伞齿轮使用,那个机构我是做出来验证了可行性并且拿到了国家专利的。


轴内变距机构


这其实原本一个比较保守但是成熟的设计我也考虑过,就是下图这个,最早是我运用的反转机构,一根中轴穿过上下旋翼轴,上下两根轴之间用中间的行星齿轮驱动上下旋翼轴反转。

我主要是想搞个更具新颖性的东西,并且添加自己设计的变距机构,所以在没有全面了解这个结构的前提下,搞了这个设计,现在看考虑是不周到的。


相关讨论

讨论一:70马力

这个反转机构如果不可行的话你可以用常规的齿轮反转箱,一样可以倾转控制,只是图纸有些改动了,还是期待你的共轴早日出炉,我也很喜欢这个。

作者回复:

不过如果这个最终被审查机构否定后,我会采用别的办法来做个共轴机的,我搞了三套想法,另外两个给过几个圈内好友和一个空军一航院老师私下里看过,另外两个也在专利审查中,请原谅我暂时不能发出来,但是仅仅作为结构上来说,另外两个设计朋友们倒是没有提太多质疑,我只是想把这种共轴机当作机器,想证明自己可以从结构和控制上做出点自己特色的小小改变。

但作为个申请递交也是因为制作风险太大,如果理论纰漏太大就是彻底失败了,前一段有请教过一个搞设计的朋友,只是在理论上如果结构处于非常理想状态具备些许可行性,就是说润滑非常好,而且齿轮箱内各个部件之间非工作摩擦阻力够小,但是实际上不确定因素过多,轴承摩擦阻力、齿轮之间的啮合阻力、旋翼阻力都有可能导致反转的误差,会导致反转箱体产生随动,也就是上部旋翼会出现滞后现象,所以实际上很难达到同步反转的效果,可能转速低于下旋翼,尽管我在设计的时候也多少参考过其他共轴机的设计,下旋翼受到上旋翼下洗流冲击后,其产生升力效率要高于上旋翼,所以参考别人的设计把上旋翼迎角设定为9度,下旋翼10度,常态下上旋翼旋转阻力会小于下旋翼,也许会形成适当的弥补吧,但是这只是也许,我只是个工人不懂很专业的计算,这个只是个想法的尝试。

70马力回复:

谢谢回复,上旋翼9度,下旋翼十度,对于平衡上下旋翼扭力想法很好,但是可能仍然会有误差,造成机体往一方偏转,看之前的设计下旋翼可变距,可控制偏转和实现转向,我在想如果偏转力很少,可否下旋翼固定浆距,而釆用电动尾桨控制偏转和实现转弯,结构可能更简单点。

作者回复:


最早接触背包式共轴机的换向反转那张图片,因为那些图片也都是我发出来的,时我也琢磨过很久,甚至决定采用它,不过打算加装变距机构,省略尾翼,只控制下旋翼迎角来实现原地转向就可以的,并且为此画过一套设计,常态下上下旋翼迎角相同,转向时只是增加或者减小下旋翼的迎角,从而产生上下旋翼扭力差,就可以实现原地转向,但是因为担心单发动机安全系数不高,发动机故障时候固定迎角的共轴机是缺乏比较有效的自旋迫降能力,所以才别出心裁地想到改进换向反转箱体的设计的。

讨论二:游条

你在中间那个内轴上做个花健,套在小锥齿轮轴中央,这样就可以保持传递,不过上下拉动会麻烦点。

作者回复:

谢谢您的建议,但是那根内部的变距轴是间接固定在桨下旋翼毂上的,和下旋翼同步转动的,但是您的想法的确很新颖,可能实际上会有点费力,但是换个角度去设计一下,应该是可行的,我递交这些想法是因为低收入原因,无法承担制作风险,但是通过申请审核可以从理论角度得到合理性评判,所以建议您保这个想法拓展一下,也可以以书面形式去试试。


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